DE19938077A1 - Federungssystem, insbesondere Kabinenfederungssystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Federungssystem mit mindestens einem mit einer Last beaufschlagbaren Federungszylinder (12), dessen Fluidräume mit einer Dämpfungseinrichtung (3) fluidführend verbunden sind, die der freien Bewegung der Last entgegenwirkend den damit verbundenen Fluidstrom drosselt. Hierdurch sind die bekannten Federungssysteme dahingehend weiter verbessert, daß sie neben einer bedienerfreundlichen Grundfederung eine Federung gewährleistet, die in der Lage ist, selbst bei extremen Beschleunigungen die Sicherheit zu gewährleisten und gefährliche Fahrzustände vermeiden zu helfen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Federungssystem, insbesondere ein Kabinenfede­ rungssystem, mit mindestens einem mit einer Last beaufschlagbaren Fede­ rungszylinder, wobei die Last insbesondere aus einer Kraftfahrzeugkabine gebildet ist.

Bei fahrenden Arbeitsmaschinen und anderen Nutzfahrzeugen sind die Fahrzeuginsassen vor Stößen, Erschütterungen und Schwingungen zu schützen, die beim Fahren über unebenes Gelände entstehen oder die vom Motor oder anderen Aggregaten hervorgerufen werden. Um dem entgegen­ zuwirken, ist es im Stand der Technik bekannt, Federungssysteme einzuset­ zen, wobei je nach dem Ort des Einsatzes man beispielsweise zwischen Einzelradfederungen, Achsfederungen, Chassisfederungen, Kabinenfede­ rungen und/oder Sitzfederungen unterscheidet.

Diese bekannten Federungssysteme setzen ein Federelement derart ein, daß bei Lageänderung der abzufedernden Masse eine Rückstellkraft erzeugt wird, die der Lageänderung entgegenwirkt. Werden Systeme eingesetzt, die zusätzlich eine von der Richtung und Größe der Relativgeschwindigkeit abhängige Kraft erzeugen, spricht man von sogenannten Feder-Dämpfer- Systemen. Diese können zusammen mit den jeweiligen Federelementen und der gefederten Masse ein schwingungsfähiges System bilden, das derart ausgelegt ist, daß es die Fahrzeuginsassen vor Erschütterungen und Stößen entsprechend schützen kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Federungssysteme weiter zu verbessern, indem man eine bedienerfreundliche Grundfederung gewährleistet, die in der Lage ist, bei extremen Beschleunigungen weiterhin eine sichere Federung zu gewährleisten und derart gefährliche Fahrzustände zu vermeiden. Eine da­ hingehende Aufgabe löst ein Federungssystem mit den Merkmalen des An­ spruches 1.

Da die Fluidräume des jeweiligen Federungszylinders, die mit der Last be­ aufschlagbar sind, mit einer Dämpfungseinrichtung fluidführend verbunden sind, die der freien Bewegung der Last entgegenwirkend den damit verbun­ denen Fluidstrom drosselt, ist innerhalb des Öl- oder Fluidstromes ein Bau­ teil mit einer veränderbaren Querschnittsöffnung eingesetzt, das je nach Größe der Beschleunigung des Fahrzeuges den Querschnitt umgekehrt ver­ ändert, d. h. bei großer Beschleunigung steht ein zusehends kleiner Durch­ messer an der Drosselstelle zur Verfügung, wodurch eine zusehends hohe Dämpfung des Öl- oder Fluidstromes erreicht wird.

Vorzugsweise ist hierzu die Dämpfungseinrichtung mit mindestens einer wegabhängig einstellbaren Drosseleinrichtung versehen, insbesondere in Form von Proportional-Drosselventilen.

Eine besonders sichere und funktionsfähige Lösung ist gegeben, sofern für die Ansteuerung des jeweiligen Proportional-Drosselventils die Dämpfungs­ einrichtung mit einer die Beschleunigungen erfassenden Sensoreinrichtung versehen ist und hierfür diese eine den Beschleunigungen unterliegende Steuermasse aufweist, die in der einen oder der entgegengesetzten Richtung den Beschleunigungen ausgesetzt die Proportional-Drosselventile ansteuert.

Besonders vorteilhaft im Sinne einer genauen Ansteuerung ist es, die dahin­ gehende Steuermasse in mindestens zwei Steuerteilmassen aufzuteilen, die getrennt voneinander die jeweilige Ansteuerung der Drosseleinrichtung vornehmen.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Federungssystem, insbesondere in Form einer Kabinenfederung, anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Kabinenfederung;

Fig. 2 eine geänderte Ausführungsform einer Kabinenfede­ rung nach der Fig. 1.

Das Federungssystem nach der Fig. 1 ist mit einem mit einer Last in Form einer Fahrzeugkabine 10 beaufschlagbaren Federungszylinder 12 versehen. Die dahingehende Anordnung ist in der Figur modellhaft und abstrahiert wiedergegeben. Fahrtechnisch verhält sich die Fahrzeugkabine 10 derart, daß sie im Bereich ihres einen Endes über einen Drehpunkt bzw. eine Ge­ lenkstelle 14 mit dem eigentlichen Fahrzeug 16, insbesondere in Form ei­ ner Landmaschine oder eines Baggers od. dgl., verbunden ist. Die wesentli­ che Fahrtrichtung des Fahrzeuges 16 ist in den Figuren mit einem Doppel­ pfeil 18 angegeben. Der Federungszylinder 12 ist mit seinem Zylinderge­ häuse 20 über eine weitere Gelenkstelle 22 mit der Fahrzeugkabine 10 ver­ bunden. Die Kolbenstange 24 des Federungszylinders 12 endet mit ihrem einen freien Ende an dem Kolben 26 und mit ihrem anderen freien Ende ist sie über eine dritte Gelenkstelle 28 mit dem Fahrzeug 16 schwenkbar ver­ bunden. Aufgrund dieser Verbindung über die angesprochenen Gelenkstel­ len kann das Zylindergehäuse 20 der Bewegung der Fahrzeugkabine 10 nachfolgen, wobei Kolbenstange 24 und Kolben 26 aufgrund der dritten Gelenkstelle 28 ihre Lage relativ zum Fahrzeug 16 beibehalten. Bewegt sich das Fahrzeug 16 in Blickrichtung auf die Figuren gesehen nach rechts in Richtung des rechten Teiles des Doppelpfeiles 18 und findet eine schlagar­ tige Verzögerung durch einen Bremsvorgang statt, schwenkt die Fahrzeug­ kabine 10 beim dahingehenden Abbremsvorgang im Uhrzeigersinn um die Gelenkstelle 14, wobei das Zylindergehäuse 20 sich mit der Fahrzeugkabi­ ne 10 mit bewegt und nach oben bewegt wird. Kommt es in umgekehrter Richtung, beispielsweise beim Anfahren des Fahrzeuges 16, zu einer Be­ schleunigung in entgegengesetzter Richtung, schwenkt die Fahrzeugkabine 10 um die Gelenkstelle 14 in entgegengesetzter Richtung, also entgegen dem Uhrzeigersinn, und das mit der Fahrzeugkabine 10 verbundene Zylin­ dergehäuse 20 bewegt sich in Blickrichtung auf die Figuren gesehen nach unten in Richtung auf das Fahrzeug 16 hin. Die dahingehenden relativen Beschleunigungen entstehen insbesondere deshalb, weil die Fahrzeugkabi­ ne 10 mit ihrer Masse der Bewegung des Fahrzeuges 16 entsprechend nach­ folgt.

Die Fluidräume des Federungszylinders 12 sind mit einer als Ganzes mit 30 bezeichneten Dämpfungseinrichtung fluidführend verbunden, wobei, was noch näher gezeigt werden wird, die Dämpfungseinrichtung der freien Be­ wegung der Last in Form der Federungskabine 10 entgegenwirkend den damit verbundenen Fluidstrom zwischen dem Federungszylinder 12 und einer Fluidversorgung drosselt. Die Dämpfungseinrichtung 30 ist mit einer wegabhängig einstellbaren Drosseleinrichtung versehen, die bei den vorlie­ genden Ausführungsformen zwei Proportional-Drosselventile 32 und 34 aufweist. Für die Ansteuerung des jeweiligen Proportional-Drosselventils 32, 34 ist die Dämpfungseinrichtung mit einer die Beschleunigungen erfas­ senden Sensoreinrichtung 36 versehen, die eine den Beschleunigungen un­ terliegende Steuermasse 38 aufweist. Die Steuermasse 38 ist, wie in den Figuren mit einem Doppelpfeil 40 angegeben, in denselben Richtungen verfahr- bzw. beschleunigbar wie das Fahrzeug 16 selbst mit der Fahrzeug­ kabine 10. Die Steuermasse 38 ist beschleunigungsabhängig, wie darge­ stellt, und ist über ein Federsystem C1, C2 wieder in seine in der Fig. 1 dar­ gestellte Ausgangsstellung rückstellbar. Um die Empfindlichkeit des Be­ schleunigungssensors mittels der Steuermasse 38 zu reduzieren, ist des wei­ teren in einander gegenüberliegenden Bewegungsrichtungen je eine Dämp­ fungseinrichtung D1, D2 vorhanden. In Abhängigkeit der gewählten Werte für die Federsteifigkeit sowie für die Dämpfung reagiert der Beschleuni­ gungssensor mehr oder weniger schnell auf die anstehenden Beschleuni­ gungsänderungen.

Bei der in der Fig. 1 dargestellten Grundstellung sind die Proportional- Drosselventile 32, 34 in ihrer durchgeschalteten Schaltstellung gezeigt und die eigentliche Federung der Fahrzeugkabine 10 erfolgt über den Hydro­ speicher 42, dessen Gasseite 44 von der Fluidseite 46 über ein übliches Trennmittel, beispielsweise in Form einer elastischen Trennmembran 48, getrennt ist. Bei kleinen Schwingungsbewegungen der Fahrzeugkabine 10 um ihre Gelenkstelle 14 erfolgt die dahingehende Abfederung über den Hydrospeicher 42, indem die vorzugsweise mit Stickstoff befüllte Gasseite die dahingehenden Stöße dämpft. Hierfür ist der Hydrospeicher 42 mit sei­ ner Fluidseite 46 über Verbindungsleitungen 50 sowohl an das Drosselven­ til 32 als auch an das Drosselventil 34 angeschlossen. Über weitere Verbin­ dungsleitungen 52 und 54 ist wiederum das Drosselventil 32 an den Stan­ genraum 56 bzw. das Drosselventil 34 an den Kolbenraum 58 des Fede­ rungszylinders 12 fluidführend angeschlossen.

Die Verbindungsleitungen 50 sind darüber hinaus an eine Fluidversorgung P angeschlossen, mittels der es beispielsweise möglich ist, eine übliche Ni­ veaueinstellung für das Fahrzeug vorzusehen oder Temperatur- und Ge­ wichtsanpassungen vorzunehmen, beispielsweise im letzteren Fall, falls eine Bedienperson die Kabine betritt und derart deren Betriebsgewicht er­ höht. Verzichtet man hierauf, ist es auch möglich, auf die Fluidversorgung P zu verzichten und das System geschlossen zu betreiben, d. h. die im System befindlichen Fluidmengen über die Drosseleinrichtungen und unter Ver­ wendung des Hydrospeichers 42 zwischen den Fluidräumen des Fede­ rungszylinders 12 in Abhängigkeit vom Bewegungszustand des Fahrzeuges hin und her zu verschieben. Da der Kolbenraum 58 über ein größeres Fluidvolumen verfügt als der zugeordnete Stangenraum 56, befindet sich zwischen den beiden Verbindungsleitungen 52 und 54 ein Rückschlagven­ til 60, das in Richtung des Stangenraumes 56 hin öffnet und in eine Leitung 62 zwischen die Verbindungsleitungen 52 und 54 geschaltet ist. Beim Aus­ fahren des Zylinders wird das ringseitige Verdrängervolumen über die Drossel 32 geführt und damit gedämpft.

Des besseren Verständnisses wegen wird nunmehr das erfindungsgemäße Federungssystem anhand seiner Funktion näher erläutert. Ist das Fahrzeug­ system keinen starken Beschleunigungen weder in der einen noch in der anderen Richtung ausgesetzt, ist die Dämpfungseinrichtung 30 im wesentli­ chen in Ruhe, d. h. die beiden Proportional-Drosselventile 32,34 sind in ihrer gezeigten durchgeschalteten Stellung, wobei der Hydrospeicher 42 die Grundfederung übernimmt, indem die Gasseite 44 die Federungsstöße puffert, die durch die Fluidverschiebung zwischen Stangenraum 56 und Kolbenraum 58 des Federungszylinders 12 gegeben sind. Kommt es nun zum Auftreten von Beschleunigungen, beispielsweise bedingt durch einen Bremsvorgang, hat die Fahrzeugkabine 10 aufgrund ihrer Massenträgheit gegenüber dem Fahrzeug 16 das Bestreben, sich im Uhrzeigersinn um die Gelenkstelle 14 zu bewegen. Dabei wird auch das Zylindergehäuse 20 nach oben bewegt mit der Folge, daß sich der Stangenraum 56 im Fluidvo­ lumen verringert und der Kolbenraum 58, der vom Stangenraum 56 über den Kolben 26 getrennt ist, nimmt volumenmäßig entsprechend zu. Des weiteren bewegt sich die Steuermasse 38 des vorzugsweise mit dem Fahr­ zeug 16 verbundenen Dämpfungssystems 30 in Blickrichtung auf die Fig. 1 gesehen nach rechts, und zwar entgegen dem Federdämpfersystem C1, C2; D1, D2, so daß über die Drossel des Proportional-Drosselventils 32 die aus dem Stangenraum 56 über die weitere Verbindungsleitung 52 zugeführte Fluidmenge in Richtung der Verbindungsleitung 50 gedrosselt wird. Dabei sind die Proportional-Drosselventile 32 und 34 derart ausgelegt, daß je stär­ ker diese über die Steuermasse 38 betätigt werden, die Drosselung stetig zunimmt. Da beim Bremsen das Proportional-Drosselventil 34 in seiner in der Fig. 1 gezeigten voll durchlässigen Stellung verbleibt, erfolgt die Drosse­ lung ausschließlich über das Ventil 32 und die derart gedrosselte Fluidmen­ ge kann über die Verbindungsleitung 50 das durchgeschaltete Proportional- Drosselventil 34 und die weitere Verbindungsleitung 54 in Richtung des Kolbenraumes 58 des Federungszylinders 12 strömen. Durch die dahinge­ hende Dämpfung über das Proportional-Drosselventil 32 ist der üblichen Federung eine beschleunigungsabhängige Dämpfung oder Federung über­ lagert, die auch bei extremen Bremsbeschleunigungen einen sicheren Sy­ stemzustand zwischen Fahrzeugkabine 10 und Fahrzeug 16 erlaubt.

Kommt es in der anderen Richtung zu Beschleunigungen, beispielsweise beim Anfahren, bleibt trägheitsbedingt die Fahrzeugkabine 10 gegenüber dem Fahrzeug 16 zurück und das Fluidvolumen auf seiten des Kolbenrau­ mes 58 nimmt ab. Da dann die Steuermasse 38 in der entgegengesetzten Richtung gemäß dem Doppelpfeil 40 in Blickrichtung auf die Fig. 1 gesehen nach links sich verschiebt, verbleibt das Ventil 32 in der durchgeschalteten Stellung und die Drosselung des Proportional-Drosselventils 34 wird mit zunehmender Beschleunigung in drosselnder Weise betätigt. Auch hier­ durch wird wiederum der schädlichen Beschleunigung in dämpfender Wei­ se entgegengewirkt. Je stärker die Beschleunigungs- und Verzögerungswerte sind, umso mehr wird die jeweilige Steuermasse 38 ausgelenkt und umso mehr wird die jeweils freie Querschnittsfläche bei den Ventilen 32,34 ver­ ringert mit der Folge, daß die veränderliche Dämpfung zunimmt und der Auslenkbewegung der Fahrzeugkabine 10 entgegenwirkt.

Aufgrund des Federdämpfungssystems C1, C2, D1 und D2 ist gewährleistet, daß zum einen die Steuermasse 38 nicht zum Schwingen kommt und im übrigen in einer Grundsituation bei einer gleichmäßigen Fahrgeschwindig­ keit in die Ursprungslage zurückkehrt, so daß die beiden Ventile 32,34 in ihre in der Fig. 1 geschaltete Durchlaßstellung gelangen können. Federele­ mente der Ventile 32,34 unterstützen die dahingehende Rückstellbewegung in die durchgeschaltete Grundfederstellung.

Die Ausführungsform nach der Fig. 2 entspricht im wesentlichen der ge­ schilderten Ausführungsform nach der Fig. 1, so daß insofern für diese Bau­ teile dieselben Bezugszeichen eingesetzt werden. Das bisher Gesagte gilt insoweit auch für die Ausführungsform nach der Fig. 2.

Die Ausführungsform nach der Fig. 2 unterscheidet sich von der nach der Fig. 1, daß die angesprochene Steuermasse 38 in zwei Teilsteuermassen 64 bzw. m1, m2 aufgetrennt ist. Sind die beiden Steuerteilmassen 64 von ihrer Masse her gleich ausgebildet, ergibt sich im wesentlichen kein anderes Verhalten als das bei dem Federungssystem nach der Fig. 1. Vorzugsweise sind jedoch die Steuerteilmassen 64 unterschiedlich ausgebildet, beispiels­ weise die mit m2 bezeichnete Steuerteilmasse 64 im Gewicht schwerer gewählt als die mit m1 bezeichnete Steuerteilmasse 64, so daß beim Ab­ bremsen die Masse m2 stärker anspricht und eine verstärkte Drosselung über das Proportional-Drosselventil 32 vornimmt. Demgemäß können für die Federungen andere Federungswerte im Hinblick auf Anfahren und Ab­ bremsen vorgegeben werden.

Über die Fluidversorgung P läßt sich beispielsweise über eine nicht näher dargestellte weitere Steuereinrichtung eine Niveauregulierung für das Fahr­ zeug 16 erreichen oder das System an vorgegebene Temperatur- und Ge­ wichtsbedingungen anpassen. Auch ist denkbar, daß bei einer extremen Neigung des Fahrzeuges 16 die Kabine 10 über die Einstellung des Fede­ rungszylinders 12 im wesentlichen in einer horizontalen Stellung gehalten wird, um die Bedienung zu erleichtern.

Mit dem erfindungsgemäßen Federungssystem muß man mithin nicht wie bisher einen Kompromiß eingehen zwischen weicher Federung zum Fahren und einer harten Dämpfung zur Vermeidung des Durchschlagens in die mechanischen Endlager eines Fahrzeuges, beispielsweise bei extremen An­ fahr- und Bremsbedingungen, bei denen große negative oder positive Be­ schleunigungen auftreten. Vielmehr ist mit dem erfindungsgemäßen Fede­ rungssystem eine angenehme Grundfederung erreicht, die bei den ange­ sprochenen extremen Fahrbedingungen beschleunigungsabhängig mit einer angepaßten Dämpfung überlagert wird, wobei die dahingehenden Einregel­ vorgänge sehr rasch von statten gehen.

Claims (10)

1. Federungssystem mit mindestens einem mit einer Last beaufschlagbaren Federungszylinder (12), dessen Fluidräume mit einer Dämpfungseinrich­ tung (30) fluidführend verbunden sind, die der freien Bewegung der Last entgegenwirkend den damit verbundenen Fluidstrom drosselt.

2. Federungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung (30) mit mindestens einer wegabhängig einstell­ baren Drosseleinrichtung versehen ist, insbesondere in Form eines Pro­ portional-Drosselventils (32, 34).

3. Federungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ansteuerung des jeweiligen Proportional-Drosselventils (32, 34) die Dämpfungseinrichtung (30) mit einer die Beschleunigungen erfassenden Sensoreinrichtung (36) versehen ist.

4. Federungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (36) eine den Beschleunigungen unterliegende Steu­ ermasse (38) aufweist, die mit einem Federdämpfersystem (C1, C2; D1; D2) zusammenwirkt und die die jeweilige Drosseleinrich­ tung direkt betätigt.

5. Federungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Drosseleinrichtungen vorgesehen sind und daß in der einen Beschleuni­ gungsrichtung die eine Drosseleinrichtung und in der entgegengesetzten Beschleunigungsrichtung die andere Drosseleinrichtung für eine mit wachsender Beschleunigung zunehmende Drosselung betätigbar sind.

6. Federungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Drosseleinrichtung an den Kolbenraum (58) und die andere Dros­ seleinrichtung an den Stangenraum (56) als Fluidräume des jeweiligen Federungszylinders (12) anschließbar sind.

7. Federungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Last aus einer Fahrzeugkabine (10) gebildet ist, die mit einem Fahrzeug (16), insbesondere in Form einer Arbeitsmaschine, über mindestens eine Gelenkstelle (14) schwenkbar verbunden ist sowie mit dem Gehäuse (20) des jeweiligen Federungszylinders (12), das an die Fahrzeugkabine (10) sowie an das Fahrzeug (16) schwenkbar angelenkt ist.

8. Federungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Drosseleinrichtungen in Richtung des jeweiligen Federungszy­ linders (12) über eine Verbindungsleitung (52, 54) fluidführend mitein­ ander in Verbindung stehen, die mit einem Rückschlagventil (60) verse­ hen ist, das in Richtung des Stangenraumes (56) öffnet.

9. Federungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß min­ destens ein Hydrospeicher (42) zumindest in unbetätigtem Zustand der Drosseleinrichtungen auf die Fluidräume einwirkt und derart die Grund­ federung der Fahrzeugkabine (10) sicherstellt und daß die Dämpfungs­ einrichtung (30) an eine Fluidversorgung (P) anschließbar ist.

10. Federungssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuermasse (38) in zwei Steuerteilmassen (64) aufge­ teilt getrennt die jeweilige Ansteuerung der Drosseleinrichtungen vor­ nimmt.